1、高層鋼結(jié)構(gòu)BIM軟件在上海中心工程中的應(yīng)用摘要：為研發(fā)我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑信息模型（BIM）軟件并全面應(yīng)用 BIM，選用 Object ARX技術(shù)在 Auto CAD平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)建立高層鋼結(jié)構(gòu) BIM 軟件，實(shí)現(xiàn)了 BIM 與高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工程各個(gè)階段的數(shù)據(jù)接口，并在上海中心項(xiàng)目中應(yīng)用該軟件系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算、規(guī)范校核等功能，并可以讀入相關(guān)有限元軟件的計(jì)算模型，基于設(shè)計(jì)結(jié)果完成 的三維實(shí)體的數(shù)字拼裝技術(shù)；組織節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成復(fù)雜鋼節(jié)點(diǎn)的參數(shù)化造型和編輯技術(shù)；實(shí)現(xiàn)基于BIM 的結(jié)構(gòu)材料信息等的建筑工程數(shù)據(jù)管理，以及BIM 與施工圖、加工圖的實(shí)時(shí)、一致性關(guān)聯(lián)。

2、上海中心項(xiàng)目應(yīng)用說(shuō)明，該BIM 軟件實(shí)現(xiàn)了建筑信息模型的理念，將對(duì)我國(guó)建筑業(yè)信息化進(jìn)程起到推動(dòng)作用。關(guān)鍵詞：建筑信息模型；高層鋼結(jié)構(gòu)；上海中心；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 高層鋼結(jié)構(gòu)是建筑工程中重要的結(jié)構(gòu)形式。高層鋼結(jié)構(gòu)信息化進(jìn)程中主要存在的問(wèn)題為大量的項(xiàng)目信息存儲(chǔ)在高層鋼結(jié)構(gòu)生命周期各個(gè)階段的信息產(chǎn)生與提供者自己的信息系統(tǒng)中；由于各個(gè)階段分別使用各自的“模型”而導(dǎo)致的“信息孤島”現(xiàn)象已經(jīng)成為高層鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率提升的障礙。目前，建筑業(yè)針對(duì)上述問(wèn)題提出的解決方案是建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）。BIM 的思想是基于三維實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)建筑生命周期各種相關(guān)信

3、息的集成。由于信息量龐大，一個(gè)包含所有建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電行業(yè)統(tǒng)一的建筑信息模型暫時(shí)不可能實(shí)現(xiàn)。本文依托BIM 思想，建立高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域BIM 解決方案的系統(tǒng)模型，研究鋼結(jié)構(gòu)BIM 三維可視化信息、分析信息、施工圖與加工圖信息等工程信息的集成技術(shù)，研發(fā)實(shí)現(xiàn)集成上述工程信息的高層鋼結(jié)構(gòu)BIM 軟件。 目前，建筑信息模型（BIM）方面的文獻(xiàn)絕大部分為對(duì)BIM 的綜述性文章。對(duì)于BIM 軟件技術(shù)與架構(gòu)，文獻(xiàn)介紹了BIM 概念以及BIM 軟件應(yīng)具有的共性；文獻(xiàn)從結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的視角討論了BIM的現(xiàn)狀，提出了結(jié)構(gòu)BIM 應(yīng)具有的一些重要特點(diǎn)。國(guó)際上BIM 軟件主要有 Revit及Bentley等，這

4、些軟件處于剛剛起步階段。BIM 在建筑專業(yè)中的應(yīng)用相對(duì)較多，而在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用非常有限，結(jié)構(gòu)BIM 作為建筑全壽命周期的一個(gè)階段，對(duì)建筑工程信息化的影響極其重要。文獻(xiàn)介紹了Revit系列的BIM 軟件Revit Structure對(duì)結(jié)構(gòu)BIM 流程的架構(gòu)與部分關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)BIM 理念與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)專業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的本質(zhì)區(qū)別為是否應(yīng)用惟一的信息模型。國(guó)內(nèi)對(duì)BIM 軟件的研究均為BIM 綜述以及概念性文章，討論的熱點(diǎn)在于BIM 軟件應(yīng)具有的共性與特點(diǎn)，以及BIM 對(duì)建筑工程信息化具有的影響。 選用 ObjectARX技術(shù)在 AutoCAD平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)，建立高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的B

5、IM 軟件，即高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型軟件，實(shí)現(xiàn)了BIM 與高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工程各個(gè)階段的數(shù)據(jù)接口，并在上海中心項(xiàng)目中應(yīng)用該軟件系統(tǒng)。軟件實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算和規(guī)范校核等功能，并可讀入相關(guān)的有限元軟件計(jì)算模型，基于設(shè)計(jì)結(jié)果完成BIM 實(shí)體模型的數(shù)字拼裝技術(shù)；組織節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成復(fù)雜鋼節(jié)點(diǎn)的參數(shù)化造型和編輯技術(shù)；實(shí)現(xiàn)基于BIM 的結(jié)構(gòu)材料信息等建筑工程數(shù)據(jù)管理，以及BIM 與施工圖、加工圖的實(shí)時(shí)、一致性關(guān)聯(lián)。 1 構(gòu)BIM 軟件特點(diǎn) 由于信息量巨大以及需要多專業(yè)共同合作，在建筑、結(jié)構(gòu)、水暖、電等專業(yè)領(lǐng)域使用單一的完整的BIM 暫時(shí)還難以實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)工程作為高層鋼結(jié)構(gòu)全壽命管理的重要領(lǐng)域，需要開發(fā)

6、結(jié)構(gòu)BIM 軟件，提高高層鋼結(jié)構(gòu)的全壽命管理信息化程度。 結(jié)構(gòu)BIM 軟件即設(shè)計(jì)信息模型軟件具有BIM 解決方案的全部特征，其核心理念在于創(chuàng)建可以記錄工程實(shí)施過(guò)程中幾乎所有的數(shù)據(jù)建筑信息模型。數(shù)據(jù)一旦與工程信息模型構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建以后就可以被實(shí)時(shí)調(diào)用、統(tǒng)計(jì)分析、管理與共享。高層鋼結(jié)構(gòu)工程的各階段主要包括結(jié)構(gòu)有限元建模和計(jì)算、規(guī)范校核、三維可視化模型、工程造價(jià)信息、施工圖（加工圖）、其他相關(guān)信息明細(xì)表（見圖1）圖1 結(jié)構(gòu)工程各個(gè)階段與BIM 的數(shù)據(jù)交換 2 高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型軟件系統(tǒng)的技術(shù)與架構(gòu) 2.1 結(jié)構(gòu)BIM 的工程數(shù)據(jù)核心 BIM 技術(shù)核心是一個(gè)由計(jì)算機(jī)三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫(kù)。高層鋼

7、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型的三維實(shí)體的數(shù)字拼裝技術(shù)包括3D建模技術(shù)以及3D實(shí)體計(jì)算技術(shù)，首先BIM 的數(shù)據(jù)應(yīng)是可運(yùn)算的系統(tǒng)，能像人腦一樣知曉各構(gòu)件之間空間關(guān)系；其次要用大規(guī)模布爾算法。 從面向?qū)ο蟮乃枷氤霭l(fā)，所有的結(jié)構(gòu)部件都以對(duì)象的方法來(lái)表達(dá)。實(shí)體模型由桿件與連接節(jié)點(diǎn)這2類對(duì)象組成。由可以進(jìn)行三維布爾運(yùn)算的 ObjectARX提供的AcDb3dSoli類派生出抽象的桿件類 Bar，再以該類作為基類，派生出具有不同功能的結(jié)構(gòu)對(duì)象梁、柱、支撐等，如圖2(a)所示。每一種連接節(jié)點(diǎn)可以拆分成多個(gè)基本連接，如當(dāng)H形鋼梁與H形鋼柱連接時(shí)，可以拆分為梁的上翼緣、腹板和下翼緣3個(gè)基本連接。基本連接的派生關(guān)系如圖2(b)

8、所示。每個(gè)基本連接由若干個(gè)零件組成，以抽象對(duì)象作為基類派生出各種連接件對(duì)象板件、螺栓、錨栓和焊縫等，如圖2(c)所示。時(shí)間：2010-09-22 00:00:00來(lái)源：BIM資訊網(wǎng)作者：季俊 張其林 楊暉柱 常治國(guó)圖2 派生關(guān)系2.2 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與BIM 接口 2.2.1 軟件的結(jié)構(gòu)分析以及規(guī)范校核功能 高層鋼結(jié)構(gòu)BIM 軟件提供高層鋼結(jié)構(gòu)完整的建模、計(jì)算和設(shè)計(jì)功能，包括線性與非線性有限元分析以及結(jié)構(gòu)的地震周期振型分析，滿足結(jié)構(gòu)全壽命周期的有限元建模及計(jì)算需求。圖3為上海中心有限元模型。軟件系統(tǒng)嵌套了與鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的國(guó)家規(guī)范以及部分地方規(guī)程，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的驗(yàn)算、校核和優(yōu)選等功能，并將

9、最終結(jié)果信息保存并提供給建筑信息模型。圖 上海中心有限元模型 2.2.2 與有限元軟件的數(shù)據(jù)接口 該結(jié)構(gòu)BIM 軟件支持通過(guò)文本操作進(jìn)行結(jié)構(gòu)的建模、分析、校核等一系列功能，圖4為文本編輯操作應(yīng)遵循的文件格式。軟件可以讀入Sap Etabs等數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)與這些通用有限元軟件的接口，圖5為上海中心的 Etabs有限元模型，該BIM 軟件讀取Etabs數(shù)據(jù)文件，然后轉(zhuǎn)為自身的格式，然后即可建立該BIM 的有限元模型，從而實(shí)現(xiàn)建模過(guò)程中資源的共享，使項(xiàng)目管理共享協(xié)同能力得到提高。與Etabs接口的主要功能函數(shù)及流程如下。Class ReadEtabs DataPubilc:/ 獲得Etabs有限元的

10、單元、節(jié)點(diǎn)、約束等數(shù)據(jù)Int ReadEtabsStrutureal Data( );/ 獲得Etabs荷載數(shù)據(jù)Int ReadEtabsLoadData( );/ Etabs有限元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為該BIM 軟件系統(tǒng)的有限元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)Int StructureHandler( );/ Etabs荷載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為該BIM 軟件系統(tǒng)的荷載數(shù)據(jù)Int LoadHandler( );/ 將轉(zhuǎn)化而來(lái)的數(shù)據(jù)按照該軟件格式寫至文本文檔Int WRTThisSoftwareFile( );2.3 BIM 實(shí)體模型的數(shù)字建造結(jié)構(gòu)BIM 軟件系統(tǒng)的三維實(shí)體信息核心采用參數(shù)化描述建 筑 單 元，以 梁、柱 等 建 筑 構(gòu) 件為基

11、本對(duì)象，而不再是CAD中的點(diǎn)、線、面等幾何元素。如圖6所示，通過(guò)數(shù)字建造技術(shù)模擬建筑物的真實(shí)信息，信息的內(nèi)涵不僅僅是幾何形狀描述的視覺(jué)信息，還包含大量的非幾何信息如物理信息以及分析信息等。對(duì)一個(gè)工程各部位很容易從各個(gè)角度查看，交互效率極高，不易發(fā)生普通二維 CAD軟件的理解錯(cuò)誤；實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的BIM 核心理念。 BIM 軟件三維實(shí)體模型的數(shù)字建造關(guān)鍵技術(shù)包括3D建模技術(shù)與3D實(shí)體計(jì)算技術(shù)。在結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)完成后，由計(jì)算結(jié)果讀取繪制BIM 實(shí)體模型所需要的構(gòu)件信息，包括截面信息和方位信息，通過(guò)構(gòu)件實(shí)體類的 （）函數(shù)繪制結(jié)構(gòu)BIM 三維實(shí)體模型。對(duì)于有限元模型與實(shí)際建筑物構(gòu)件位置不一致現(xiàn)象，

12、軟件系統(tǒng)對(duì)計(jì)算模型中的有限單元進(jìn)行了連通和位置調(diào)整等處理，包括同一根構(gòu)件連通為一體；主梁和柱頂連接處，梁的上翼緣和柱頂平齊；次梁的上翼緣和主梁上翼緣平齊等。三維實(shí)體模型在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置上與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全一致，實(shí)現(xiàn)了建筑信息模型是對(duì)工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)真實(shí)構(gòu)件實(shí)際空間方位的數(shù)字表達(dá)的核心和基本要求。通過(guò)上述算法，分析設(shè)計(jì)信息完整得存儲(chǔ)到建筑信息模型中，完成BIM 的三維實(shí)體模型的數(shù)字建造關(guān)鍵技術(shù)。圖 6 BIM 的三維實(shí)體模型2.4 BIM 鋼節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型的參數(shù)化造型與編輯技術(shù)建筑信息模型的核心技術(shù)是參數(shù)化建模。由于使用參數(shù)化技術(shù)的實(shí)體模型，復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)具有在真實(shí)世界的行為和屬性，則參數(shù)化模型“知道”

13、所有構(gòu)件的特征及其之間的相互作用規(guī)則，因此對(duì)模型操作時(shí)會(huì)保持構(gòu)件在真實(shí)世界的相互關(guān)系。 結(jié)構(gòu)BIM 解決方案軟件系統(tǒng)采用分解、分層、組合的方法來(lái)組織節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)造最復(fù)雜的部分。基于BIM 理念的高層鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化軟件系統(tǒng)，能夠完全反應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)零件的空間位置，為建筑施工提供數(shù)字化的真實(shí)節(jié)點(diǎn)，方便了施工前的預(yù)觀察。同時(shí)，還具有全自動(dòng)交互式的設(shè)計(jì)、校核以及編輯的特點(diǎn)，圖7為上海中心某梁柱節(jié)點(diǎn)參數(shù)化編輯圖。軟件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)三維模型的造型與裝配流程如圖8所示。 2.5 設(shè)計(jì)信息模型軟件 根據(jù)與BIM 的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可將建設(shè)工程項(xiàng)目中的信息分為建設(shè)工程模型的核心信息、技術(shù)信息、經(jīng)濟(jì)和

14、資源信息、管理及其他相關(guān)信息等。設(shè)計(jì)過(guò)程所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)文件和數(shù)據(jù)將構(gòu)成信息模型的核心信息，而技術(shù)經(jīng)濟(jì)、管理及其他信息構(gòu)成核心信息的附屬數(shù)據(jù)，但亦為結(jié)構(gòu)全壽命管理過(guò)程的重要方面。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型軟件三維實(shí)體模型中的構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)等具有真實(shí)世界的行為和屬性，包含真實(shí)構(gòu)件的各種相關(guān)信息，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及整體結(jié)構(gòu)2個(gè)層次的相關(guān)附屬信息。 2.5.1 構(gòu)件層次相關(guān)附屬信息 軟件系統(tǒng)通過(guò)Bar，Joint類存儲(chǔ)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、材料信息、截面信息、方位信息，幾何信息等，通過(guò)對(duì)話框或者文本文檔進(jìn)行顯示和查詢，圖9顯示了材料信息的顯示查詢對(duì)話框；軟件系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)可以自動(dòng)判斷建筑邏輯結(jié)構(gòu)的非圖形數(shù)據(jù)，即存儲(chǔ)構(gòu)件的

15、邏輯信息，包括梁柱的定義、梁柱的空間方位以及梁柱截面尺寸的基本要求等。軟件系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別梁、柱等構(gòu)件連接類型并配上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體信息核心的參數(shù)化和智能化。圖9 構(gòu)件材料信息的顯示、查詢對(duì)話框 2.5.2 結(jié)構(gòu)層次相關(guān)附屬信息 完整的三維實(shí)體信息模型提供基于虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化信息，將對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的施工提供指導(dǎo)，對(duì)施工中可能遇到的構(gòu)件碰撞進(jìn)行預(yù)檢測(cè)。圖10為軟件提供的結(jié)構(gòu)用料信息的顯示與查詢。圖10 高層鋼結(jié)構(gòu)用料信息 2.6 BIM 的實(shí)時(shí)、一致性關(guān)聯(lián) BIM 的核心之一就是在工程數(shù)據(jù)間創(chuàng)建實(shí)時(shí)的、一致性的關(guān)聯(lián)。對(duì)BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的任何更改，都可以在其他相關(guān)聯(lián)的地方反映出來(lái)，包括

16、提供給施工方的施工圖以及鋼結(jié)構(gòu)工廠的加工圖，這是與傳統(tǒng)二維CAD結(jié)構(gòu)軟件的本質(zhì)區(qū)別。 建筑信息模型集成的高層鋼結(jié)構(gòu)施工階段主要信息為基于三維實(shí)體模型的施工圖的自動(dòng)生成；提供給鋼結(jié)構(gòu)加工工廠的信息為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工圖紙。設(shè)計(jì)信息模型軟件系統(tǒng)基于BIM 的3D模型上提取所需的幾何信息并加工整理，自動(dòng)完成節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件和板件的歸并，編號(hào)，再繪制成二維平面詳圖。對(duì)結(jié)構(gòu)的同一部位通常需要多個(gè)詳圖來(lái)表達(dá)，模型的惟一性和正確性保證了各個(gè)詳圖內(nèi)容的一致性和正確性，對(duì)模型的任何更改，都將在平面施工圖和加工圖中實(shí)時(shí)、一致地反映出來(lái)。數(shù)據(jù)的提取整理、三維實(shí)體的消隱與投影以及圖形標(biāo)注是圖形繪制的主要內(nèi)容。利用模型中實(shí)體的點(diǎn)線面屬性以及記錄的關(guān)鍵特征幾何點(diǎn)，采用空間消隱算法生成二維圖形，最后繪制引注和尺寸標(biāo)注。詳圖繪制的主要流程如圖11所示。圖 11基于BIM 的施工圖、加工圖的自動(dòng)生成 圖12為施工圖、加工圖繪制對(duì)話框，圖13為基于BIM 自動(dòng)生成的某層結(jié)構(gòu)平面布置圖。圖12 基于BIM 的施工圖和加工圖的繪圖對(duì)話框 圖 13基于BIM 自動(dòng)生成的平面布置圖 3結(jié)論 1) 高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型軟件與 的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)了分析信息的數(shù)據(jù)共享，減少了重新建模的巨大工作量；同時(shí)，設(shè)計(jì)的所有剖視圖、施工圖、大樣圖都出自同一個(gè)建筑信息模型，與傳統(tǒng)的人工繪圖相比，極大地提高了工作效率，減少了出錯(cuò)的可能性，模型上的修改可